基于航空發(fā)動機(jī)狀態(tài)診療技術(shù)航空發(fā)動機(jī)健康管理綜述摘要:航空發(fā)動機(jī)狀態(tài)診療技術(shù)對避免飛行事故和降低飛行器運(yùn)行成本是非常關(guān)鍵。本文總結(jié)了航空發(fā)動機(jī)狀態(tài)診療部分方法,同時(shí)在總結(jié)中國外相關(guān)文件基礎(chǔ)上,簡明回顧了航空發(fā)動機(jī)健康管剪發(fā)展歷程,依據(jù)診療技術(shù)說明了實(shí)施發(fā)動機(jī)健康管理價(jià)值,最終提出了中國實(shí)施發(fā)動機(jī)健康管理部分提議。關(guān)鍵詞:航空發(fā)動機(jī);狀態(tài)診療;健康管理;信息融合;估計(jì)。引言航空發(fā)動機(jī)狀態(tài)診療方法又稱故障方程法,是基于航空發(fā)動機(jī)熱力狀態(tài)故障方程故障診療法,是氣路分析方法之一,包含兩方面意義:（一）、所采取故障診療法是故障方程法,即要依據(jù)航空發(fā)動機(jī)氣動熱力學(xué)模型及故障建立航空發(fā)動機(jī)故障方程并求解;（二）、它應(yīng)用對象是航空發(fā)動機(jī)與熱力性能相關(guān)部件。伴隨性能不停提升和復(fù)雜程度不停增加,目前大型復(fù)雜系統(tǒng)面臨可靠性、可用性、經(jīng)濟(jì)性等多種問題。統(tǒng)計(jì)資料表明,發(fā)動機(jī)故障在全部飛機(jī)方法不僅花費(fèi)資源、效率低下,而且航空發(fā)動機(jī)與熱力性能相關(guān)部件維修費(fèi)用居高不下。所以有效、經(jīng)濟(jì)發(fā)動機(jī)健康管理（EHM）是十分必需。而維測與健康管理概念ＰＨＭ是指利用傳感器獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息,借助多種智能模型和算法來評定本身健康狀態(tài),在系統(tǒng)故障發(fā)生之前進(jìn)行估計(jì),并結(jié)合可利用資源信息提供一系列維護(hù)保障方法提議以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)視情維修。二、原理當(dāng)系統(tǒng)處于某一狀態(tài)S時(shí),它將含有確定特征Y,即存在映射g:S→Y.反之,一定系統(tǒng)特征也對應(yīng)著確定狀態(tài),即存在著映射f:Y→S.假如f和g是雙射函數(shù),即特征空間存在一對一映滿映射,則由特征空間能夠唯一確定系統(tǒng)狀態(tài)。診療基礎(chǔ)方法分為間接方法和直接方法。而不一樣點(diǎn)在于間接方法是依據(jù)發(fā)動機(jī)可測參數(shù)改變確定航空發(fā)動機(jī)部件性能,再依據(jù)航空發(fā)動機(jī)部件性能最終達(dá)成故障定位。直接方法是由航空發(fā)動機(jī)性能參數(shù)改變直接判定航空發(fā)動機(jī)物理故障。航空發(fā)動機(jī)故障方程建立過程:1、建立正常狀態(tài)下航空發(fā)動機(jī)原始數(shù)學(xué)模型;2、建立故障因子,建立故障狀態(tài)下數(shù)學(xué)模型;3、對所得數(shù)學(xué)模型進(jìn)行線性化處理,得出線性化故障方程。航空發(fā)動機(jī)原始數(shù)學(xué)模型通常形式為:F(Y,X,Z)=0或f（Z）=0由以上公式可知,故障與狀態(tài)是建立在同一個(gè)方程中,因?yàn)楹娇瞻l(fā)動機(jī)零件物理故障（葉片斷裂、變形、外來物損傷等)常表現(xiàn)為航空發(fā)動機(jī)性能衰退,如轉(zhuǎn)速、燃油流量、排氣溫度和功率輸出改變,從而造成航空發(fā)動機(jī)可測參數(shù)改變,這么就可依據(jù)參數(shù)改變對應(yīng)進(jìn)行狀態(tài)診療。而EMS系統(tǒng)則是依據(jù)發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測及相關(guān)知識經(jīng)過信息融合而開發(fā)出健康管理系統(tǒng),EMS系統(tǒng)是EHM各研究內(nèi)容在發(fā)動機(jī)實(shí)際工作應(yīng)用集成表現(xiàn)。EHM系統(tǒng)采取柔性、可擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)確保EHM各部分內(nèi)容順利實(shí)施,支持EHM系統(tǒng)煩人機(jī)載部件和地面部件,而且與機(jī)載控制系統(tǒng)、維修保障系統(tǒng)和任務(wù)管理系統(tǒng)有接口。EHM系統(tǒng)實(shí)施以信息為依據(jù)運(yùn)行和決議,即獲取、處理及融合發(fā)動機(jī)健康信息,進(jìn)而做出以信息為依據(jù)決議,確保發(fā)動機(jī)安全和任務(wù)成功。從本質(zhì)上說,EHM系統(tǒng)是一個(gè)層次化分布式信息系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)以下圖1。三、應(yīng)用（一）估計(jì)技術(shù)估計(jì)技術(shù)是EHM中最高層次推理,是對諸如故障檢測、故障隔離等內(nèi)容結(jié)果深入融合。就EHM范圍而言,估計(jì)關(guān)鍵包含預(yù)報(bào)部件故障發(fā)生時(shí)機(jī),計(jì)算關(guān)鍵部件剩下壽命。分析發(fā)動機(jī)性能衰退趨勢。估計(jì)技術(shù)與狀態(tài)監(jiān)視、故障診療最大區(qū)分在于估計(jì)更強(qiáng)調(diào)定量分析,估計(jì)技術(shù)從本質(zhì)上能夠分成3類:（1）基于模型估計(jì)采取基于模型估計(jì)前提條件是必需有正確發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型和部件失效模型。基于模型估計(jì)最突出優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足實(shí)時(shí)性要求．所以基于模型估計(jì)通常見在機(jī)載EHM系統(tǒng)上,因?yàn)榘l(fā)動機(jī)是一個(gè)復(fù)雜非線系統(tǒng),難以建立正確數(shù)學(xué)模型,所以基于模型估計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中范圍和效果都受到一定限制。（2）基于知識估計(jì)基于知識估計(jì)特點(diǎn)是不需要正確數(shù)學(xué)模型．能夠充足利用發(fā)動機(jī)各個(gè)學(xué)科教授知識和經(jīng)驗(yàn)。基于知識估計(jì)最經(jīng)典兩種應(yīng)用形式是教授系統(tǒng)和模糊邏輯。故障診療是教授系統(tǒng)一個(gè)傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。多年來教授系統(tǒng)也被引入到估計(jì)中來。而且常常是與其它技術(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等相結(jié)合。然而,因?yàn)榻淌谙到y(tǒng)存在著知識獲取和知識表示“瓶頸”問題．使其有一定不足。模糊邏輯提供了表示和處理模糊概念機(jī)制,含有處理不確定性信息能力。模糊估計(jì)能夠利用教授知識構(gòu)建模糊規(guī)則庫,能夠充足利用教授知識和經(jīng)驗(yàn),而且一個(gè)合適設(shè)計(jì)模糊邏輯系統(tǒng)能夠在任意精度上迫近某個(gè)給定非線性函數(shù)。因?yàn)槟：烙?jì)現(xiàn)在尚處于研究階段,有些問題還需著重處理。（3）基于數(shù)據(jù)估計(jì)基于數(shù)據(jù)估計(jì)最大優(yōu)點(diǎn)是不需要正確發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)或物理模型,最經(jīng)典代表是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在估計(jì)中應(yīng)用比較廣泛,而且還常常與其她技術(shù)結(jié)合,衍生出多個(gè)形式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之外,還有其她部分基于數(shù)據(jù)估計(jì)方法,如貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、隱式馬爾可夫模型、數(shù)據(jù)挖掘等。對于發(fā)動機(jī)這么復(fù)雜系統(tǒng)而言,因?yàn)楣烙?jì)研究困難性,使用單一方法進(jìn)行估計(jì)往往難以確保其應(yīng)用效果。采取混合估計(jì)方法不僅能充足吸收各自方法優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也能填補(bǔ)其各自不足。所以,將多個(gè)不一樣估計(jì)方法有機(jī)結(jié)合,深入提升估計(jì)綜合性能,是估計(jì)技術(shù)發(fā)展一個(gè)肯定趨。（二）集成技術(shù)(1)EHM系統(tǒng)本身集成EHM系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜信息系統(tǒng),需要用不一樣學(xué)科教授知識、技術(shù)、模型來分析和開發(fā)。EHM系統(tǒng)由多種不一樣模塊組成,但它們數(shù)據(jù)步驟大致相同,比如從信號源、信號調(diào)整、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存貯到數(shù)據(jù)檢索。經(jīng)過集成能夠提升EHM系統(tǒng)開發(fā)效率,實(shí)現(xiàn)各模塊能力共享,使EHM系統(tǒng)各模塊和系統(tǒng)都取得好處。集成能夠把EHM系統(tǒng)作為一個(gè)整體對待,有利于權(quán)衡分析系統(tǒng)滿足不一樣功效需求、不一樣配置或體系結(jié)構(gòu)。集成為EHM系統(tǒng)滿足不一樣需求提供了一組選擇和處理方案。(2)EHM系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)集成目前優(yōu)異發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上都采取全權(quán)限數(shù)字電子控制(FADEC)系統(tǒng)。EHM系統(tǒng)與FADEC系統(tǒng)之間聯(lián)絡(luò)非常親密。EHM系統(tǒng)所必需參數(shù)大部分也是FADEC系統(tǒng)所必需,如高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、排氣溫度、燃油流量、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣總溫等。EHM系統(tǒng)有些功效在FADEC系統(tǒng)中也是必需,如傳感器故障診療和超限檢驗(yàn)。在EHM系統(tǒng)中超限檢驗(yàn)用于向機(jī)組人員和地勤人員告警,而FADEC系統(tǒng)則依據(jù)EHM系統(tǒng)輸出發(fā)動機(jī)健康狀態(tài)匯報(bào)改變控制規(guī)律,緩解異常狀態(tài)影響,以確保發(fā)動機(jī)工作安全。鑒于二者之間親密聯(lián)絡(luò),EHM系統(tǒng)和FADEC系統(tǒng)綜合集成以是新一代發(fā)動機(jī)關(guān)鍵發(fā)展趨勢。（3）與其它機(jī)載系統(tǒng)集成其它機(jī)載系統(tǒng)如座艙顯示系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、任務(wù)管理系統(tǒng)等也和EHM系統(tǒng)中多個(gè)步驟發(fā)生聯(lián)絡(luò)。利用數(shù)字系統(tǒng)和數(shù)據(jù)總線,能夠使EHM系統(tǒng)和其它機(jī)載系統(tǒng)實(shí)施一體化設(shè)計(jì),從而提升各系統(tǒng)開發(fā)效率,降低成本,降低所占空間和重量。四、結(jié)論（1）加強(qiáng)基礎(chǔ)研究硬件產(chǎn)品是實(shí)施EHM物質(zhì)基礎(chǔ)。傳感器作為采集發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)設(shè)備,是EHM各項(xiàng)內(nèi)容所需信息源泉。為了更全方面地獲取發(fā)動機(jī)信息,應(yīng)該依據(jù)EHM需求,研制新型傳感器方便測量目前不能測量而且對全方面評定發(fā)動機(jī)健康狀態(tài)起關(guān)鍵作用參數(shù)。如國外已經(jīng)研制成功光纖傳感器和微波傳感器能夠分別監(jiān)視發(fā)動機(jī)靜子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)健康情況。在EHM系統(tǒng)工作過程中,需求和產(chǎn)生信息將是海量。這對信息處理和存放設(shè)備尤其是機(jī)載設(shè)備如機(jī)載計(jì)算機(jī)、存放器、通信設(shè)備提出了很高要求:需要有能在惡劣環(huán)境下可靠工作計(jì)算機(jī)和大容量高速存放設(shè)備以及通信設(shè)備來EHM對于實(shí)時(shí)性要求。不僅要大幅提升硬件產(chǎn)品性能,而且在可靠性、安全性、嚴(yán)酷環(huán)境適應(yīng)性等方面都要加強(qiáng)。同時(shí)也要對多種硬件資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度．使其能夠得到充足合理利用．并實(shí)現(xiàn)整個(gè)硬件體系最優(yōu)總體性能。（2）加深基礎(chǔ)理論研究充足掌握材料性能中相關(guān)疲憊、斷裂、蠕變、腐蝕等方面力學(xué)性能數(shù)據(jù),并與發(fā)動機(jī)研制優(yōu)異性、可靠性和安全性緊密聯(lián)絡(luò)在一起。材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)對是發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件壽命計(jì)算中不可缺乏組成部分。發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件疲憊斷裂過程是在交變載荷作用下累積損傷過程。所以,分析確定部件承受載荷譜和深入研究部件失效機(jī)理是取得正確可信估計(jì)結(jié)果關(guān)鍵。只有這么。才能建立正確估計(jì)模型,依據(jù)環(huán)境條件、發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況以及部件目前狀態(tài)來描述故障隨時(shí)間發(fā)展趨勢。（2）將EHM融入發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)即使實(shí)施EHM大部分活動都在發(fā)動機(jī)使用與維修保障階段進(jìn)行,不過從并行工程角度看,應(yīng)該將EHM作為發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)組成部分。在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和研制階段,將EHM作為發(fā)動機(jī)一項(xiàng)設(shè)計(jì)特征給予重視。從信息科學(xué)角度看,EHM是對發(fā)動機(jī)信息進(jìn)行感知獲取、處理再